CN112599262A

CN112599262A - 铂自给能堆芯γ强度探测装置

Info

Publication number: CN112599262A
Application number: CN202011578939.8A
Authority: CN
Inventors: 邵剑雄; 周殿伟; 屈正; 刘渊哲; 杨爱香; 杨磊; 李东仓; 邱玺玉; 陈熙萌
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-04-02

Abstract

本发明涉及一种铂自给能堆芯γ强度探测装置，包括：由内向外依次设置的发射体、屏蔽体和收集体；发射体采用铂金属丝制成，用于吸收反应堆内的中子和光子并产生相应的电子；屏蔽体用于在反应堆高温环境下为发射体提供绝缘性能，并不和反应堆内的中子和光子相互作用；收集体通过传输电缆和后台处理系统连接，用于将收集电子产生相应的信号电流发送至后台处理系统对反应堆内的中子通量进行监测。本发明的有益效果是：对反应堆内的中子通量、γ通量同时进行探测，信号反馈快，响应时间短，并且屏蔽体的设置使探测器能够耐受反应堆堆内的高温度、高辐照、高压强环境，稳定运行时间长，使得发射体燃耗低，使用寿命长避免了频繁停堆更换。

Description

铂自给能堆芯γ强度探测装置

技术领域

本发明属于反应堆堆芯核测试技术领域，具体涉及一种铂自给能堆芯γ强度探测装置。

背景技术

目前在国内外已建立的反应堆中，普遍采用自给能中子探测器对反应堆堆内的中子通量进行监测，堆内中子通量是反映反应堆运行状态的重要参数之一，为反应堆启停堆提供着极为重要的参数指导，该类中子探测器通常采用铑、钒、钴等材料作为发射体，可对热、快中子通量进行测定；另外，自给能γ探测器用于堆内局部功率的测定，反应堆堆内γ功率密度分布与中子通量分布近似，通过监测γ强度也可以对堆内运行状态进行掌握，该类γ探测器通常采用铅、锆等材料作为发射体。

而在具体运用中，铑、钒、银等这类发射体探测器主要通过测定中子活化之后β衰变产生的信号电流对中子通量进行反馈，这些探测器响应速度慢，燃耗高，使用寿命短；钴探测器利用中子俘获γ射线产生光电子和康普顿电子，该过程产生的信号电流响应速度虽快，但在高通量辐照之下讯号构成会变得更为复杂，难以分析；铅、锆等γ探测器主要通过测定本底中γ射线产生的光电子和康普顿电子反映γ强度，但是铅材料的熔沸点低，锆材料的灵敏度低，不能普遍使用。

发明内容

为了解决现有技术存在的灵敏度低、寿命短、不便于分析的问题，本发明提供了一种铂自给能堆芯γ强度探测器，其具有灵敏度高、使用寿命更长、便于分析等特点。

本发明所采用的技术方案为：

一种铂自给能堆芯γ强度探测装置，包括：由内向外依次设置的发射体、屏蔽体和收集体；

所述发射体采用铂金属丝制成，用于吸收反应堆内的中子和光子并产生相应的电子；

所述屏蔽体用于在反应堆高温环境下为所述发射体提供绝缘性能，并不和反应堆内的中子和光子相互作用；

所述收集体通过传输电缆和后台处理系统连接，用于将收集所述电子产生相应的信号电流发送至所述后台处理系统对反应堆内的中子通量进行监测。

进一步地，所述铂金属丝的直径为1mm，长度为150mm。

进一步地，所述屏蔽体为氧化铝或氧化镁制成的套管。

进一步地，所述屏蔽体的壁厚为0.5mm，外径2mm，内径1mm，长度为150mm。

进一步地，所述收集体为因科镍合金制成的套管。

进一步地，所述收集体的壁厚为0.5mm，外径3mm，内径2mm，长度为150mm。

进一步地，所述收集体采用的因科镍合金的型号为因科镍600。

进一步地，所述传输电缆为同轴双芯传输电缆，其中一根与所述发射体连接用于将所述信号电流输送至所述后台处理系统，相平行设置的另一根不与发射体连接，用于排除本底信号的干扰。

进一步地，所述同轴双芯传输电缆的芯线采用因科镍600合金材料制成。

进一步地，所述同轴双芯传输电缆的所述芯线的绝缘体采用氧化铝粉末制成。

本发明的有益效果为：通过发射体对反应堆内的中子通量、γ通量同时进行探测，信号反馈快，响应时间短，能够很好地表征堆内运行状态，有利于反应堆的功率控制，并且屏蔽体的设置使探测器能够耐受反应堆堆内的高温度、高辐照、高压强环境，稳定运行时间长，使得发射体燃耗低，使用寿命长。同时结构紧凑，整体强度高，机械性能良好，损坏率低，避免了堆内仪表的频繁停堆更换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施例提供的铂自给能堆芯γ强度探测器的结构图；

图2是根据一示例性实施例提供的衰变纲图。

图中1-发射体；2-屏蔽体；3-收集体；4-传输电缆；5-后台处理系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参照图1所示，本发明的实施例提供了一种铂自给能堆芯γ强度探测装置，包括：由内向外依次设置的发射体1、屏蔽体2和收集体3；

发射体1采用铂金属丝制成，用于吸收反应堆内的中子和光子并产生相应的电子；

屏蔽体2用于在反应堆高温环境下为发射体提供绝缘性能，并不和反应堆内的中子和光子相互作用；

收集体3通过传输电缆4和后台处理系统5连接，用于将收集所述电子产生相应的信号电流发送至后台处理系统对反应堆内的中子通量进行监测。

具体的，发射体1采用高纯度的铂金属丝，铂能够吸收中子产生β射线和γ射线，同时能与环境中已有的γ射线发生光电散射和康普顿散射放出电子，其中后两种与γ射线相互作用产生的电子占瞬时输出的90％甚至更多，故良好的改善了探测器响应速度慢的问题；铂在10¹⁴n·cm^-2·s^-1的中子通量下燃耗率为1.8％/年，相对于铑在10¹⁴n·cm^-2·s^-1的中子通量下32％的年燃耗率，要低得多，因此使用寿命更长；屏蔽体2体能够在反应堆高温环境下提供良好的绝缘性能，同时不会与堆内的中子和光子相互作用产生干扰电流；在反应堆堆内的中子和光子穿透收集体3、屏蔽体2，与铂发射体相互作用。其中中子与铂发生中子吸收反应，放出β射线，β射线由β电子组成，发射体失去电子，收集体收集到电子，形成一个电位差以此形成信号电流；其中光子与铂发生光电效应、康普顿效应，放出光电子、康普顿电子，发射体1同样失去电子，收集体3收集到电子，形成另一部分的信号电流。其中β成分电流响应时间较慢，γ成分电流响应时间较快；

混合信号电流经过信号电缆输出至后续的后台处理系统上，确定其中γ组分和β组分各自的占比，记录其随时间和运行状态的变化图，比较该信号与堆外仪表记录数据图像的一致性和跟随性就可以得知探测器的可靠性，并且可根据蒙特卡罗方法模拟的信号电流灵敏度进行比较，从而确定其灵敏度和准确性。在自给能通量探测器中使用铂作为发射体可产生混合中子和伽马灵敏度，比早期探测器类型具有更高的快速响应比例，而且在整个使用寿命中都能保持这一比例，并且具有高输出和低燃耗率。

在本发明的一些具体实施例中，铂金属丝的直径为1mm，长度为150mm。即选取选取直径为1mm，长度为150mm的铂金属丝作为探测器的发射体。例如可采用密度21.45g/cm³，熔点1112℃，沸点3821 3100℃，¹⁹⁵Pt的重量比为100％的铂金属丝。

屏蔽体2为氧化铝或氧化镁制成的套管，屏蔽体2的壁厚为0.5mm，外径2mm，内径1mm，长度为150mm。

在具体实施时屏蔽体2采用氧化铝、氧化镁材料的中空圆柱形陶瓷套管，氧化铝、氧化镁的纯度极高，达到99.9％，在常温下电阻率可达10¹⁴Ω·m，在400℃温度下电阻率可达10¹²Ω·m，能够在反应堆高温环境下提供良好的绝缘性能，同时不会与堆内的中子和光子相互作用产生干扰电流。

例如采用氧化铝的密度3.569g/cm³，熔点2054℃，沸点2980℃，铝和氧的元素比为2∶3；采用氧化镁密度3.58g/cm³，熔点2852℃，沸点3600℃，镁和氧的元素比为1∶1。

收集体3为因科镍合金制成的套管。可采用壁厚为0.5mm，外径3mm，内径2mm，长度为150mm的因科镍合金600。因科镍600的熔点为1400℃，耐受高温，且在高温下拥有良好的机械性能，能够很好地保护内部组件。因科镍600合金与中子、光子的反应截面很小，可忽略不计，且中子和光子在其中的穿透能力很强，不会对发射体内部的反应机制造成影响。

因科镍合金600的特性为：密度8.4g/cm³，熔点1400℃，化学成分占比为镍12％、铬14～11％、铁6％～10％、碳0.15％、锰1％、硅0.5％、铜0.5％、铝0.3％、钛0.3％、硼0.006％、磷0.015％、硫0.015％。

传输电缆4为同轴双芯传输电缆，其中一根与发射体连接用于将信号电流输送至后台处理系统，相平行设置的另一根不与发射体连接，用于排除本底信号的干扰。

同轴双芯传输电缆的芯线采用因科镍600合金材料制成。

并在具体实施时同轴双芯传输电缆的芯线的绝缘体采用氧化铝粉末制成。

混合信号电流经过信号电缆输出至后续的电子学系统上，同时考虑减去双芯电缆计算的本底电流，因为电缆的设计工艺与探头基本一致，故电流的损失和误差较小。

在具体实施时，电缆部分的芯线采用因科镍600合金材料，主要是因为其具备的良好的导电性和抗压性，芯线采用绞绕式双芯线工艺，一根与发射体焊接相连导出信号电流，另一根与上述芯线平行放置但不与发射体连接，目的是排除本底信号带来的干扰；电缆部分的绝缘体采用氧化铝粉末，主要是因为氧化铝材料在高低温下的绝缘性能良好，而使用粉末进行装配能够使电缆拥有良好的弯曲适应性能，而之所以电缆部分的收集体采用因科镍600合金材料，使用原因与收集体前端一致，良好的机械性能和导电性能能够保证信号电流的产生。

在本发明具体实施过程中后台处理系统的后续信号处理部分，可使用微扰法确定电流信号中γ与中子分量的比值，以此分别对中子通量和γ通量进行表征。当然还可采用本领域技术人员所熟知的其他判定方法进行子通量和γ通量的表征，本发明在此不做限制。后台处理系统在具体处理过程中对自给能探测器输出的电流信号进行放大，滤波和干扰抑制，将弱电信号线性转换为0～10V的电压信号，通过16bit高精度AD转换模块将电压信号转换为数字量，上位计算机通过算法对该数字量进行处理，校正，变换，获取反应堆内中子通量和推功率数据，并进行数据显示，存储和报表输出等。

结合图2所示的衰变纲图，可对信号电流进行进一步的分析，混合响应型自给能探测器的信号来源主要包括：发射体中子俘获之后的β辐射；发射体收集探测器的其他部分或者附件材料活化引起的β粒子和从外部来的β粒子；发射体中子俘获γ辐射产生的康普顿电子和光电子；外部γ源在探测器产生的康普顿电子和光电子。

其中，前两种机理产生的讯号是延时的，后两种机理产生的讯号是瞬时的，所有提到的四种机理都能使用蒙特卡罗程序进行模拟分析，结果表明瞬时反应输出的比例超过90％，延迟信号产生的半衰期短，燃耗低而不复杂，灵敏度随时间的变化较小。

本发明上述实施例所提供的铂自给能堆芯γ强度探测装置，能够对反应堆堆内的中子通量和γ通量同时进行探测，信号反馈快，响应时间短，能够很好地表征堆内运行状态，有利于反应堆的功率控制；能够耐受反应堆堆内的高温度、高辐照、高压强环境，稳定运行时间长，发射体燃耗低，使用寿命长；结构紧凑，整体强度高，机械性能良好，损坏率低，避免了频繁停堆更换；后端电缆为双芯传输电缆，可以有效地消除环境中本底电流的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，包括：由内向外依次设置的发射体、屏蔽体和收集体；

2.根据权利要求1所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述铂金属丝的直径为1mm，长度为150mm。

3.根据权利要求2所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述屏蔽体为氧化铝或氧化镁制成的套管。

4.根据权利要求3所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述屏蔽体的壁厚为0.5mm，外径2mm，内径1mm，长度为150mm。

5.根据权利要求4所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述收集体为因科镍合金制成的套管。

6.根据权利要求5所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述收集体的壁厚为0.5mm，外径3mm，内径2mm，长度为150mm。

7.根据权利要求6所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述收集体采用的因科镍合金的型号为因科镍600。

8.根据权利要求1至7任一项所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述传输电缆为同轴双芯传输电缆，其中一根与所述发射体连接用于将所述信号电流输送至所述后台处理系统，相平行设置的另一根不与发射体连接，用于排除本底信号的干扰。

9.根据权利要求8所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述同轴双芯传输电缆的芯线采用因科镍600合金材料制成。

10.根据权利要求9所述的铂自给能堆芯γ强度探测装置，其特征在于，所述同轴双芯传输电缆的所述芯线的绝缘体采用氧化铝粉末制成。